Электрически укороченная рамочная антенна. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны УКВ

Комментарии к статье

В ряде практических случаев размеры антенны, соизмеримые с длиной волны, недопустимо велики. Поэтому и были разработаны электрически укороченные (малые) антенны. Важно также, чтобы антенна являлась единственным элементом, излучающим или принимающим электромагнитную энергию. Один из вариантов таких антенн, электрически укороченная рамочная антенна, рассматривается в статье. Эксперименты проводились на частотах 14, 27 и 430 МГц.

Рамочная антенна обладает наилучшими свойствами, когда при данном периметре покрывает наибольшую площадь, т. е. является круглой рамкой. Но для удобства рассмотрения обратимся к квадратной рамке и вертикальной поляризации излучаемых (принимаемых) волн (рис. 1 а).

Коэффициент направленного действия (КНД) квадратной рамки с периметром е = λ (λ - длина волны) в свободном пространстве по сравнению с полуволновым диполем составляет 1,35 дБ при сопротивлении rΣ = 100 Ом [1].

Квадратную рамку с вертикальной поляризацией можно представить состоящей из двух полуволновых вертикальных диполей, нагруженных с концов (емкостная нагрузка) и разнесенных на четверть длины волны. Излучение вверх и вниз отсутствует, так как токи в горизонтальных проводниках рамки компенсируют друг друга. Распределение тока I и напряжения U вдоль проводника рамки представлено на рис. 1,б. Точки А и С, пучности тока, являются точками нулевого потенциала. При подключении антенны в разрыв в точке А один диполь запитывается током, а другой - в точках В и D - противофазными напряжениями. Диаграммы направленности рамки, находящейся в свободном пространстве, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, приведены на рис. 1 в, г и по своей форме близки к диаграмме направленности полуволнового диполя [2].

Электрическое укорочение рамочной антенны может быть осуществлено увеличением емкостной нагрузки диполей путем включения в пучности напряжения, т. е. в точки В и D, емкостей, что дополнительно изменяет фазу напряжения в этих точках на 180° (рис. 2,а). Назовем эту антенну укороченной рамочной антенной из двух полурамок.

Ток в контуре рамки протекает теперь только в одном направлении (рис. 2,б), т. е. токи в противоположных проводниках рамки оказываются относительно друг друга противоположно направленными. Это означает, что излучение в направлении, перпендикулярном плоскости рамки, отсутствует, т. е. диаграмма направленности представляет приблизительно круг в вертикальной плоскости и "восьмерку" в горизонтальной (рис. 2,в, г). Если считать аналогом данной антенны два полуволновых диполя с противоположно направленными равными токами, то КНД в горизонтальной плоскости относительно круговой диаграммы направленности составляет 3,8 дБ [1].

Таким образом, данная антенна по своим свойствам приближается к магнитной антенне - антенне с постоянным распределением тока вдоль контура рамки, и излучающей преимущественно магнитную составляющую электромагнитного поля в ближней зоне.

Рассматриваемая антенна имеет четыре точки нулевого потенциала: А, С - пучности тока и В, D - середины расстояний между обкладками конденсаторов - узлы напряжений. Соответственно запитывать антенну можно вблизи этих точек. Проще всего применить Т-образное согласование при питании в пучности тока (рис. 3,а) [2] либо емкостный делитель напряжения при подключении в узле напряжения (рис. 3,б) [1].

Ориентировочно параметры подключающей цепи можно определить из следующих соображений.

• Первоначально рамка выбранного периметра e < λ настраивается в резонанс на рабочую частоту f с помощью двух одинаковых конденсаторов емкостью 2С и измеряется добротность ненагруженной рамки Q.
• Волновое сопротивление рамочной антенны как LC-контура PА=1/(2πfC).
• Коэффициент включения линии питания с волновым сопротивлением рл в антенный контур, исходя из условия, что при согласовании добротность контура уменьшается в два раза, к = (PАQ/Рл)1/2.
• Расстояние между точками подключения Т-образного согласования ет= е/к.
• Элементы емкостного делителя Сн = кС, С' = 4С·к/(к -2).
• Если подключить линию питания в разрыв рамки в точке А, то входное сопротивление rвх = Pa/Q.
• Сопротивление излучения рамки [3] гΣ = 80π2(2πSp/λ2)2, где Sp - площадь рамки, или для круглой рамки гΣ=20π2(e/λ)4.

Известен еще один вариант электрически укороченной рамочной антенны - полуволновый диполь с емкостной нагрузкой, свернутый в рамку (рис. 4,а). Для реализации этой антенны периметр рамки должен быть меньше половины длины волны. Точки нулевого потенциала - точка А и середина расстояния между обкладками конденсатора С (рис. 4,б). Диаграмма направленности приблизительно совпадает с диаграммой направленности рамочной антенны из двух полурамок. Подключение линии питания производится вблизи точек нулевого потенциала, как это делается в рамочной антенне с двумя полурамками.

Укороченная рамочная антенна из двух полурамок характеризуется более равномерным распределением амплитуды тока вдоль проводника рамки по сравнению с рамочной антенной с непрерывной рамкой, поэтому при одинаковых периметрах обладает большим сопротивлением излучения rΣ и, как следствие, большей эффективностью ηA (коэффициентом полезного действия). Выигрыш по данным измерений достигает 3 дБ при е/λ = 0,2.

Исследование укороченной рамочной антенны из двух полурамок производилось на частотах 14, 27 и 430 МГц.Для частоты 14 МГц квадратная рамка из медного провода диаметром 2 мм имела периметр е = 0,Зλ, емкости 2С = 22 пФ, добротность ненагруженной рамки Q = 100, сопротивление излучения rΣ = 2 Ом, входное сопротивление в пучности тока rвх = 10 Ом, эффективность ηA - 0,1 и полосу пропускания 0,3 МГц. Для подключения кабеля с волновым сопротивлением Pл = 50 Ом емкостный делитель напряжения состоял из конденсаторов С = 47 пФ и Сн = 510 пФ, а длина отрезка проводника рамки для Т-образного согласования еτ = 160 мм. Симметрирование осуществлялось с помощью ферритового кольца и нескольких витков коаксиального кабеля [2]. Антенна применялась как комнатная приемная для наблюдения за работой любительских радиостанций. В ряде случаев удавалось уменьшить уровень мешающих сигналов вследствие симметрии антенны, ослабляющей синфазные помехи, и наличия "нулей" на диаграмме направленности.

Для частоты 27 МГц было изготовлено несколько антенн из двух полурамок с периметрами е =(0,1...0,5)%.. Их исследование дало следующее. У рассматриваемой рамочной антенны сопротивление излучения очень сильно падает при уменьшении размеров. Оно зависит в квадрате от площади (или в четвертой степени от периметра круглой рамки). Поэтому для рамочных антенн с периметром е < 0,1 А. сопротивление излучения значительно меньше сопротивления потерь, и полоса пропускания антенны определяется только параметрами антенного LC-контура. Для рамочной антенны с периметром е > 0.2А. сопротивление излучения становится соизмеримо с сопротивлением потерь, добротность начинает падать, а полоса пропускания антенны и эффективность - расти. Кроме того, желательно при запитывании антенны стремиться к тому, чтобы центральные части вибраторов, т. е. пучности тока, были свободны от подключающих элементов. Поэтому емкостный делитель напряжения предпочтительнее Т-образного согласования.

Рамочная антенна для частоты 430 МГц имела размеры 36x22 мм и была изготовлена из посеребренного медного провода диаметром 1,5 мм. Емкости 2С состояли из подстроечных конденсаторов 1...5 пФ. Применялось несимметричное Т-образное согласование. Оплетка кабеля с Pл = 50 Ом подключалась к точке нулевого потенциала - пучности тока, а центральная жила - на расстоянии 10 мм от нее. Полоса пропускания нагруженной антенны - 4,5 МГц, эффективность-0,05...0,1.

Рассматриваемая рамочная антенна является симметричной, не требует противовеса, имеет точки нулевого потенциала (что позволяет применять общепринятые способы питания), может подстраиваться конденсаторами переменной емкости, мало чувствительна к наличию в непосредственной близости от нее диэлектрических и слабо проводящих предметов, не содержит индуктивных согласующих элементов. При заданном периметре наибольшей эффективностью обладает укороченная круглая рамочная антенна, состоящая из двух полурамок, запитанная через емкостный делитель напряжения при минимально возможных потерях в материале рамки и конденсаторах.

Литература

1. Devoidere John. Low-Band DXing. American Radio Relay League, Inc. - 1987, p. 266.
2. Григоров И. Практические конструкции антенн. - М.: ДМК, 2000, 352 с. ил,
3. Гречихин Л. Электрически малые антенны: возможности и заблуждения. - Радио, 1992, № 11, с. 8-10.

Автор: Н.Туркин, г.Санкт-Петербург

Смотрите другие статьи раздела Антенны УКВ.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Случайная новость из Архива Определен верхний предел скорости звука 22.10.2020 Международная группа ученых вычислила значение верхнего (максимального) предела скорости распространения звуковых волн. Это значение оказалось равно 36 километрам в секунду, в два раза больше, чем скорость распространения звука в алмазе, самого твердого из всех известных материалов на сегодняшний день. Волны, такие, как звуковые и электромагнитные, являются колебаниями, которые перемещают заключенную в них энергию из одного места в другое. Звуковые волны могут распространяться в различных средах, в воздухе, в воде и в твердых телах, и в каждой из таких сред скорость распространения звука имеет свое значение. К примеру, чем больше плотность среды, тем быстрее в ней распространяется звук, это объясняет, почему можно узнать о приближении поезда гораздо раньше, прислонив ухо к рельсу железнодорожного пути. Теория специальной относительности Альберта Эйнштейна устанавливает абсолютный максимальный предел ограничения любой скорости, который равен скорости света в вакууме и составляет около 300 тысяч километров в секунду. Однако, до последнего времени никому не было известно, существует ли какой-то свой верхний предел для скорости распространения звуковых волн. Проведенные упомянутыми выше учеными предварительные исследования показали, что верхний предел скорости звука может зависеть от значения двух безразмерных фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры (fine structure constant) и соотношения массы протона к массе электрона. Эти два значения, как уже хорошо известно, играют очень большую роль в деле понимания нами природы, строения и "функционирования" Вселенной. Их точно измеренные значения определяют ход ядерных реакций, таких, как распад протонов и процессы термоядерного синтеза, протекающие в недрах звезд. Баланс между этими двумя константами определяет узкую полосу "пригодной для жизни зоны", в которой на поверхности планет могут начать формироваться молекулярные структуры, являющиеся первыми "проблесками" будущей жизни. Однако, результаты новых исследований указывают на то, что две фундаментальные константы также могут влиять и на другие явления и процессы, имеющие отношение к материаловедению, физике конденсированной материи, где их значения устанавливают некоторые пределы для определенных свойств материала, включая и скорость звука в этих материалах. Ученые произвели проверку их теории относительно скорости звука на очень широком ряде различных материалов, что позволило подтвердить предположение, что с увеличением массы атома скорость звука в среде этого вещества будет уменьшаться. Это, в свою очередь, подразумевает, что самая большая скорость звука будет в среде твердого атомарного водорода. Однако, такая форма водорода получается только при очень высоких давлениях, выше 1 миллиона атмосфер, что сопоставимо с давлением в ядре газовых гигантских планет, таких, как Юпитер. При таких давлениях водород переходит в твердую металлическую форму, он обладает электрической проводимостью и, согласно некоторым теориям, является сверхпроводником, критическая точка которого находится в диапазоне комнатных температур. Для расчетов ученые использовали созданную ими квантово-механическую модель металлической атомарной формы водорода. Вычисления, проведенные при помощи этой модели, дали ученым значение скорости звука, очень близкое к фундаментальному пределу, полученному теоретическим путем.

Другие интересные новости:

▪ Еда всем на пользу

▪ Собаки тоже плачут от радости

▪ ISL43640 - мультиплексор-демультиплексор 4:1

▪ Создан паучий шелк с помощью фотосинтезирующих бактерий

▪ Искусственный интеллект сможет приблизиться к возможностям человеческого мозга

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Строителю, домашнему мастеру. Подборка статей

▪ статья Учимся снимать видео - советы начинающим. Искусство видео

▪ статья Что такое Ренессанс? Подробный ответ

▪ статья Ферула Леманна. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Индикатор гамма-радиации. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Регулятор мощности. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025